本发明涉及计时技术领域，具体涉及一种基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置和方法。
背景技术：
在现代航天、军事领域，需要对多种设备的测量和控制信息实现时间领域的高度统一，因而需要研制高精度时频基准生成装置输出标准时间信号和标准频率，国内外时频基准生成装置有高度依赖卫星信号的卫星授时设备、体积较大或价格昂贵的铷(铯)钟时标系统等。但现有设备在车载环境无法满足设备体积、制造成本和运行功耗等基础需求。同时，受车载环境的实施工况影响，现有设备也不利于授时守时信号相位高可靠同步的需求。
技术实现要素：
鉴于上述问题，本发明实施例提供一种基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置和方法，解决现有时频基准生成高度依赖卫星信号、授时守时相位同步可靠性低以及导致体积大、功耗高不适应车载环境的技术问题。
本发明实施例的基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置，包括：
卫星授时组件，用于获取导航卫星的授时信号形成授时时间信息和授时秒脉冲信号输出；
原子钟守时组件，用于根据所述授时时间信息和所述授时秒脉冲信号的稳定性调整cpt原子钟基准频率形成守时脉冲信号和守时时间信息输出；
授时供电电路，用于利用车载电源向所述卫星授时组件独立供电；
守时供电电路，用于利用所述车载电源向所述原子钟守时组件独立供电。
本发明实施例的基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成方法，包括：
根据授时时间信息和授时秒脉冲信号的稳定性调整cpt原子钟基准频率形成守时脉冲信号和守时时间信息输出。
本发明实施例的基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置和方法利用卫星导航系统的授时信号形成的频率信息和时间信息提高原子钟形成的基准频率的稳定性，降低根据基准频率形成的脉冲信号的相位误差，实现时频基准生成装置的小型化和低功耗，实现在车载环境较长无授时信号时的守时信号高精度保持，以授时时间信息和卫星秒脉冲信号的稳定性作为cpt原子钟基准频率调整的参量，将授时信号与守时信号形成连贯的唯一的时间基准信号输出，避免了不同类型信号切换的时间开销和系统误差。满足军品7天守时精度5ms及授时、守时信号相位高可靠同步的需求。
附图说明
图1所示为本发明一实施例基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置的架构示意图。
图2所示为本发明一实施例基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置中卫星授时组件的架构示意图。
图3所示为本发明一实施例基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置中守时供电电路的结构示意图。
图4所示为本发明一实施例基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置中保护电路的结构示意图。
图5所示为本发明一实施例基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置中原子钟守时组件的架构示意图。
图6所示为本发明一实施例基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置中相位校正电路的结构示意图。
图7所示为本发明一实施例基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成方法的流程示意图。
图8所示为本发明一实施例基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成方法中驯服工作流程图。
图9所示为本发明一实施例基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成方法中守时工作流程图。
图10所示为本发明一实施例基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成方法中原子钟组件10mhz脉冲的修正示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一实施例基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置如图1所示。在图1中，本实施例包括：
卫星授时组件，用于获取导航卫星的授时信号形成授时时间信息和授时秒脉冲信号输出。
本领域技术人员可以理解，利用卫星广播的射频信号可以获得卫星上高精度时钟源的时间计量信息形成不同时间计量量纲的量化数据。例如标准时间格式的授时时间源或固定频率脉冲信号的授时时间源。
原子钟守时组件，用于根据授时时间信息和授时秒脉冲信号的稳定性调整cpt原子钟基准频率形成守时脉冲信号和守时时间信息输出。
本领域技术人员可以理解，cpt(coherentpopulationtrappiing相干布局数囚禁)原子钟可以微型化，通过检测原子频率信号形成频率链，通过伺服控制频率链形成基准频率，根据基准频率输出守时标准时间信息和守时脉冲信号。基准频率受器件特性和环境特性影响需要进行必要的调节控制，例如基准频率的锁定控制和相位驯服控制。
授时供电电路，用于利用车载电源向卫星授时组件独立供电。
本领域技术人员可以理解，通过车载电源和蓄电设备可以形成授时过程所需的电压和电流，可以满足长时间内较高频次的授时信号获取和处理。
守时供电电路，用于利用车载电源向原子钟守时组件独立供电。
通过车载电源和蓄电设备可以形成守时过程所需的电压和电流，可以满足长时间内持续的守时信号处理和信号输出。
本发明实施例的基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置利用卫星导航系统的授时信号形成的频率信息和时间信息提高原子钟形成的基准频率的稳定性，降低根据基准频率形成的脉冲信号的相位误差，实现时频基准生成装置的小型化和低功耗，实现在车载环境较长无授时信号时的守时信号高精度保持，以授时时间信息和卫星秒脉冲信号的稳定性作为cpt原子钟基准频率调整的参量，将授时信号与守时信号形成连贯的唯一的时间基准信号输出，避免了不同类型信号切换的时间开销和系统误差。满足军品7天守时精度5ms及授时、守时信号相位高可靠同步的需求。
本发明一实施例基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置中卫星授时组件如图2所示。在图2中，卫星授时组件包括：
卫星天线，用于接收多频点卫星射频信号，采用主从设置。
卫星天线包括主、从两个，每个卫星天线接收四频(l1/l2/b1/b3)卫星射频信号。
射频电缆，用于将卫星射频信号进行无损传输。
多模卫星定位定向授时板，用于对卫星射频信号进行变频、解调、pvt和方位解算、时序控制处理等形成导航信号和授时信号，根据导航信号和授时信号形成格式化授时数据，设置通用输出接口输出格式化授时数据，设置通用输入接口输入其他授时数据。
本发明实施例的基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置通过对导航信号处理形成丰富的格式化授时数据，为原子钟守时组件提供各种类型外部基准计时信号，同时通过通用输入接口接受其他授时数据可以形成装置本体计时基准的功能性适配，与系统中其它设备形成时间信息的合理适配。
如图2所示，在本发明一实施例中，多模卫星定位定向授时板包括：
卫星通道板，用于对接收的卫星射频信号进行变频-解扩-解调形成卫星原始观测量信息。
卫星通道板对卫星信号进行高频和部分基带处理获得信号中携带的原始观测量信息。
卫星处理板，用于根据卫星原始观测量信息进行pvt(positionvelocityandtime位置速度和时间)解算、时序控制和方位解算获取授时信号，授时信号格式化封装成标准格式输出。
卫星处理板对原始观测量信息进行部分基带处理和数据处理，将解算剥离的授时信号进行封装和分类输出。封装类型包括但不限于rs422差分秒脉冲、lvttl秒脉冲、ttl秒脉冲等。卫星处理板还对输入的例如守时秒脉冲数据和守时时间数据进行接收和适配。卫星处理板可以采用dsp(digitalsignalprocessing)数字信号处理器、fpga(field-programmablegatearray)现场可编程门阵列、mcu(microcontrollerunit)系统板、soc(systemonachip)系统板或包括i/o的plc(programmablelogiccontroller)最小系统。
本发明一实施例基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置中授时守时供电电路如图3所示。在图3中，守时供电电路包括：
保护电路，用于对输入电流进行反接保护、过流保护、欠压保护和过压保护，输出额定范围内的输入电流。
第一直流转换电路，用于将输入电压转换为5v电压并过滤交流成分。
第二直流转换电路，用于将输入电压转换为3.3v电压并过滤谐波成分。
本发明实施例的基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置利用守时供电电路的独立性为长期运行的原子钟守时组件提供纯净的直流电源，并尽可能克服了电源接入、波动和被干扰时对原子钟守时组件的影响，避免原子钟守时组件的电气装配环境和理化参数的漂移。
本发明一实施例基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置中保护电路如图4所示。在图4中，保护电路包括：自恢复保险丝(优选smd2920r200sf系列)f1、瞬变二极管(smdj33ca)v8、第一mosfet管(优选sud50n06-09l)v6、第二mosfet管v7和电源保护控制器(优选ltc4365hts8系列)d8，输入电源线路串联自恢复保险丝f1后分成三个支路，第一支路串联瞬变二极管v8后接地，第二支路串联电阻r12后连接电源保护控制器d8的引脚5，第三支路连接第一mosfet管v6的漏极，第一mosfet管v6的源极连接第二mosfet管v7的源极，第二mosfet管v7的漏极连接输出线路，电解电容c14和电容c15形成电容并联电路，电容并联电路的正极端连接输出线路另一端接地；第二mosfet管v7的漏极连接电源保护控制器d8的引脚7，第一mosfet管v6和第二mosfet管v7的源极连接电源保护控制器d8的引脚8，电源保护控制器d8的引脚4接地，电源保护控制器d8的引脚3和引脚2间串联电阻r17，电源保护控制器d8的引脚2和引脚5间串联电阻r16和电阻r12，电源保护控制器d8的引脚1和引脚5间串联电阻r12。
本发明实施例的基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置利用车载电源9v～36v或授时供电电路作为输入电源首先进入保护电路，过流保护采用自恢复保险丝，最大承受电流40a。电源保护控制器及其外围电路实现反接保护、欠压保护、过压保护功能，双路n沟道mosfet管隔离负电压，达到反接保护的目的。本电路欠压保护点设置为9v，过压保护点设置为36v，当输入电压偏移至设定的保护电压之外，则电源保护控制器迅速关断mosfet管，切断电源。mosfet管关断延迟时间为35ns。可以实现较灵敏可靠的电源保护。实际应用中，避免了对车载蓄电池提出较大的负担和不必要的工作需求，供电需求仅仅4瓦,对应7天车载蓄电池要求28安时，降低了系统资源的消耗。
本发明一实施例基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置中原子钟守时组件如图5所示。在图5中，原子钟守时组件包括：
原子钟模块，用于接受授时秒脉冲信号和控制指令，根据控制指令利用授时秒脉冲信号形成原子钟秒脉冲信号和原子钟时钟信号输出。
原子钟模块的输入信号包括但不限于卫星处理板形成的授时秒脉冲信号和授时时间信息，单片机模块形成的流程控制指令、触发指令等。
原子钟模块的输出信号包括但不限于守时秒脉冲、守时时间信息、10mhz时钟信号等。原子钟模块的原子钟选择选择体积小、重量轻的xhtf1040cpt钟。
单片机模块，用于接收外部数据形成控制指令使能授时秒脉冲信号转发，根据内、外部时间信息和原子钟秒脉冲信号形成万年历时间信息。
单片机模块的输入信号包括但不限于卫星授时组件形成的授时数据、授时秒脉冲状态数据、授时秒脉冲信号、守时秒脉冲信号等。
单片机模块的输出信号包括但不限于授时秒脉冲信号使能指令、流程控制指令、触发指令等。
本发明实施例的基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置为授时信号和守时信号的融合、转发提供了丰富的卫星授时组件与原子钟守时组件间的数据通信链路和信号传输通道，可以满足守时信号性陈大哥多种类型基准时间信号的同步输出。
在本发明一实施例中，原子钟守时组件和卫星授时组件设计成等高板卡，两者通过pds-45-jw接插件连接，固定在同一金属底板。满足小体积、模块化、组合化的要求。
本发明一实施例基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置中的相位校正电路如图6所示。相位校正电路用于cpt原子钟形成的守时秒脉冲保持过程中根据授时秒脉冲维持相位误差符合阈值实现相位驯服。在图6中，相位校正电路包括：
指数滤波器，用于将守时秒脉冲与授时秒脉冲的相位差进行过滤去除高频成分形成相位差观测数据；
卡尔曼滤波器，用于利用相位差观测数据的变化获得守时秒脉冲的相位差估算值；
pid控制器，用于根据相位差估算值在比例积分微分控制过程中形成频率控制参量，并将频率控制参量反馈卡尔曼滤波器作为反馈输入；
cpt原子钟频率合成器，用于利用频率控制参量对基准频率合成过程进行频率驯服，保持守时秒脉冲相位。
本发明实施例的基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成装置利用授时脉冲信号参与守时脉冲信号的相位驯服，使的相位驯服过程与秒脉冲同步过程有效融合，避免了相位驯服与秒脉冲信号衔接的系统误差，使得时间基准连续统一。
应用过程中，原子钟守时组件通电后，接收卫星授时组件的串口时间信息和秒脉冲信息，进行信息有效性甄别后，一方面原子钟进行外部同步和自锁定，全温域500秒后具备工作状态，开始利用相位校正电路进行cpt原子钟驯服流程，300s时间到达，且原子钟守时组件和卫星授时组件的秒脉冲相位差小于200ns时，时频基准源生成装置的守时精度达到5ms/7天的要求指标。可以万年历的方式同步满足守时精度的秒脉冲更新时间，同时对外输出原子钟秒脉冲。
本发明一实施例的基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成方法包括：
根据授时时间信息和授时秒脉冲信号的稳定性调整cpt原子钟基准频率形成守时脉冲信号和守时时间信息输出。
本领域技术人员可以理解，卫星导航信号受接收环境影响。cpt原子钟可以生成稳定的基准频率。根据卫星授时时间信息和卫星秒脉冲信号的稳定性形成cpt原子钟基准频率的调整，形成准确、稳定的守时脉冲信号和守时时间信息输出。
本发明实施例的基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成方法克服了卫星授时组件在卫星有效条件下,时间精度高,但容易受卫星信号有效性影响,原子钟守时组件不受外界环境影响,但是时间原点不统一,且积累误差大,系统使用时需要根据卫星信号是否有效,在两个组件之间切换,难以保证无缝输出,且容易出现切换错误的技术问题。
本发明一实施例的基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成方法如图7所示。在图7中，本实施例包括：
步骤110：原子钟守时组件上电；
步骤111：输出初始守时秒脉冲，并设置万年历初始时间20000101:00:00:00；
步骤112：原子钟守时组件接收卫星授时组件的状态数据；
步骤113：判断原子钟基准频率是否锁定；
步骤114：当原子钟基准频率未锁定时，使能授时秒脉冲输入，原子钟做单次同步完成守时秒脉冲向授时秒脉冲对齐，形成对齐后的守时秒脉冲；
步骤115：一路守时秒脉冲直接对外输出，根据另一路守时秒脉冲更新万年历时码信息，万年历作一秒累加，同时持续接收卫星授时组件的状态数据；
步骤116：当原子钟基准频率锁定时判断卫星定位是否状态有效；
步骤117：当卫星定位状态无效时，禁止授时秒脉冲输入，并启动守时流程；
步骤118：当卫星定位状态有效时，使能授时秒脉冲输入，原子钟做连续同步完成守时秒脉冲向授时秒脉冲对齐的同时校正原子钟内部参数，形成对齐后的守时秒脉冲；
步骤119：一路守时秒脉冲直接对外输出，根据另一路守时秒脉冲更新万年历时码信息，万年历作一秒累加；
步骤120：判断守时秒脉冲是否驯服，当未驯服时启动驯服流程；
步骤121：当驯服时设置原子钟锁定状态、驯服状态有效，故障状态为无故障，将状态数据封装输出。
本发明实施例的基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成方法采用原子钟守时组件作为唯一基准时间输出源,在守时组件设计外部卫星授时输出、本地原子钟守时融合、基准信号输出总计三个通道。外部卫星授时通道持续向本地原子钟守时通道发送同步指令，开启驯服模式；本地原子钟守时通道在自我锁定且驯服成功后，采用本地时钟，持续产生满足要求的时间基准；信号输出通道在原子钟未驯服成功前，选择满足系统要求的等效外部卫星授时通道作为输出，一旦原子钟驯服成功后，自动切换为本地原子钟守时通道作为输出，切换过程与驯服过程同步进行，避免硬件信号切换带来的衔接错误。
本发明一实施例的基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成方法如图8所示。在图8中，驯服工作流程包括：
步骤131：判断原子钟基准频率是否锁定，未锁定则持续判断；
步骤132：锁定时向原子钟发送秒脉冲连续同步指令和查询时差指令；
步骤133：判断连续驯服时长是否达到阈值；
步骤134：时长达到阈值时判断秒脉冲相位差是否小于阈值；
步骤135：当秒脉冲相位差小于阈值时，设置原子钟锁定状态、驯服状态有效，故障状态为无故障，将状态数据封装输出；
步骤136：驯服时长未达到阈值时，清空驯服计数，设置原子钟锁定状态、驯服状态无效，故障状态为有故障，将状态数据封装输出；
步骤137：当秒脉冲相位差大于阈值时，设置原子钟锁定状态有效，驯服状态无效，故障状态为有故障，将状态数据封装输出。
本发明实施例的基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成方法对驯服状态进行差异化处理，形成对基准信号可用性的评价参数作为输出信号可用性的准确评价。
本发明一实施例的基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成方法如图9所示。在图9中，守时工作流程包括：
步骤141：原子钟一路守时秒脉冲直接对外输出，根据另一路守时秒脉冲更新万年历时码信息，万年历作一秒累加；
步骤142：持续判断基准频率是否驯服；
步骤143：基准频率驯服时判断原子钟基准频率是否锁定；
步骤144：基准频率驯服且锁定时设置原子钟锁定状态、驯服状态有效，故障状态为无故障，将状态数据封装输出；
步骤145：基准频率驯服且未锁定时设置原子钟锁定状态、驯服状态无效，故障状态为有故障，将状态数据封装输出；
步骤146：基准频率未驯服时判断基准频率是否锁定；
步骤147：基准频率未驯服且锁定时清空驯服计数，设置原子钟锁定状态有效，驯服状态无效，故障状态为无故障，将状态数据封装输出；
步骤148：基准频率未驯服且未锁定时清空驯服计数，设置原子钟锁定状态、驯服状态无效，故障状态为有故障，将状态数据封装输出。
本发明实施例的基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成方法对驯服、锁定状态进行持续化检测，形成对基准信号可用性的持续评价参数作为守时各类型基准输出信号的可靠性判定依据。
本发明一实施例的基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成方法中，在上述实施例的基础上，原子钟守时组件根据授时时间信息和授时秒脉冲信号进行万年历时间信息更新的过程，包括：
第一步，接收授时秒脉冲和授时时间信息进行有效性判别；判别过程包括：
以授时秒脉冲上升沿对应时刻为判据，以守时脉冲为基准，计算两次秒脉冲的时间间隔△t，若1s-3ms<△t<1s 3ms，认为本次授时秒脉冲有效，否则信任本地原子钟形成的(守时)秒脉冲；
授时秒脉冲有效时，提取授时秒脉冲前的最新授时时间信息，将其中的时、分、秒换算为当前秒数ts；
若当前秒数ts与相邻的之前授时秒间隔为 1s或-59s，则判断授时时间信息有效，否则信任本地原子钟形成的(守时)时间信息。
第二步，根据有效性更新或修正守时秒脉冲和守时时间信息，根据守时时间信息更新万年历时间信息；更新过程包括：
当授时秒脉冲有效时，对原子钟的10mhz脉冲信号进行修正；
当授时秒脉冲和授时时间信息有效时，将上一周期导航时间信息在万年历的基础上加1s后计算对应的年、月、日、时、分、秒，作时间，同时将本地毫秒计数器清零；
当授时秒脉冲有效而授时时间信息无效时，则对原子钟的守时时间信息时间进行四舍五入整秒处理(例如50.8s处理后为51s、50.2s处理后为50s)，同时本地计数器清零重记，并根据当前时间更新当前秒数ts；
当授时秒脉冲无效时，根据原子钟10mhz时钟频率进行守时，并适时更新当前秒数ts。
本发明一实施例的基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成方法如图10所述。在图10中，在上述实施例的基础上，原子钟守时组件根据授时秒脉冲修正授时秒脉冲的修正过程包括：
当授时秒脉冲有效时，对守时10mhz时钟信号源进行修正，当授时秒脉冲在守时10mhz信号低电平时产生，调整守时10mhz信号，立刻产生下一个时钟上升沿，表现为授时秒脉冲到来时，守时10mhz信号出现更为密集的10mhz脉冲；当授时秒脉冲在守时10mhz信号高电平时产生，守时10mhz信号立刻拉低并形成一个时钟上升沿，用以产生和授时秒脉冲对齐的守时10mhz脉冲，表现为一个更宽的10mhz脉冲，中间出现一次电平拉低和拉高。
利用上述实施例的基于卫星授时和cpt原子钟守时的高精度时频基准生成方法，可以持续提供外部卫星授时信号和本地原子钟守时信号的相位差，相位差超过200ns时，报原子钟守时组件故障。持续判断授时信号丢失超过7天时，报守时信号精度超差,自动启动再授时。充分满足了授时信号修正守时信号，守时信号持续可靠输出适时修正的技术优势。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
